一種新型自動翻轉(zhuǎn)電動吊卡裝置的研制

康向東 余 波 尹 輝 王 濤 石明江

（1.克拉瑪依市眾城石油裝備研究院有限公司，克拉瑪依 834000；2.新疆油田公司百口泉采油廠，克拉瑪依 834000；3.克拉瑪依市建業(yè)能源股份有限公司，克拉瑪依 834000；4.西南石油大學 機電工程學院，成都 610500）

隨著我國大多數(shù)油田已進入石油開采的中、后期階段，為維持油田的正常開采和產(chǎn)量穩(wěn)定，修井自動化工具必不可少。修井作業(yè)過程中最重要的環(huán)節(jié)是起下油管，而吊卡是起下油管的專用工具之一。傳統(tǒng)吊卡采用液壓裝置，不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且冬季氣溫低時動作緩慢滯后，無法滿足現(xiàn)場的修井作業(yè)，因此研制了一種新型自動翻轉(zhuǎn)電動吊卡裝置[1-4]。

吊卡分為手動吊卡和自動吊卡。手動吊卡在修井作業(yè)過程中需工作人員反復(fù)進行拆、搬、掛等機械操作[5-6]，作業(yè)勞動強度大，自動化程度低。在這樣的背景下，研制的新型自動翻轉(zhuǎn)電動吊卡可以通過翻轉(zhuǎn)裝置夾住油管，利用開關(guān)門裝置卡住油管接箍，實現(xiàn)自動夾取油管[7-9]。新型自動翻轉(zhuǎn)電動吊卡結(jié)構(gòu)簡單，傳動效率高，能使油管安全、順利提升或下降，為修井作業(yè)系統(tǒng)和裝備的智能化和自動化奠定基礎(chǔ)[10]。

1 新型電動吊卡結(jié)構(gòu)和參數(shù)

1.1 自動翻轉(zhuǎn)電動吊卡結(jié)構(gòu)

修井作業(yè)中，新型電動吊卡的主要作用是從輸送機抓取油管，將油管送至井口。在液壓大鉗上扣后，松開油管。

1.1.1 整體結(jié)構(gòu)

吊卡在抓取油管和抽油桿之前，由翻轉(zhuǎn)機構(gòu)翻轉(zhuǎn)一定角度，然后打開開關(guān)門，抓取從輸送機送來的傾斜油管。圖1為新型電動吊卡整體示意圖結(jié)構(gòu)。該吊卡主要由翻轉(zhuǎn)裝置和開關(guān)門裝置兩部分組成。開關(guān)門安裝在吊環(huán)兩側(cè)，翻轉(zhuǎn)裝置固定在吊環(huán)左側(cè)。

圖1 新型電動吊卡整體圖

1.1.2 翻轉(zhuǎn)機構(gòu)

翻轉(zhuǎn)機構(gòu)是實現(xiàn)抓取油管的核心工作單元，通過電機驅(qū)動傳動軸旋轉(zhuǎn)，帶動翻轉(zhuǎn)耳板做90°翻轉(zhuǎn)，實現(xiàn)油管的抓取，如圖2所示。構(gòu)件1為電機，與構(gòu)件2傳動軸相連。構(gòu)件3為扭矩限制器，連接電機與構(gòu)件4翻轉(zhuǎn)耳板，主要功能為過載保護。當因超載或機械故障導(dǎo)致所需扭矩超過設(shè)定值時，翻轉(zhuǎn)耳板會以打滑形式限制傳動系統(tǒng)傳動的扭力。當過載情形消失時，可自行恢復(fù)。構(gòu)件5限位塊保證吊卡的翻轉(zhuǎn)角度，將吊卡翻轉(zhuǎn)角度鎖定為90°。

圖2 翻轉(zhuǎn)裝置

1.1.3 開關(guān)門裝置

開關(guān)門裝置是電動吊卡的關(guān)鍵部件，如圖3所示。構(gòu)件2為吊卡主體，采用合金鋼鍛造而成，強度高，承載力大。吊卡通過構(gòu)件1電缸推動構(gòu)件3活頁卡住油管。構(gòu)件4為補芯。更換不同規(guī)格的補芯，可以適應(yīng)不同規(guī)格的油管提取。

圖3 開關(guān)門裝置

1.2 自動翻轉(zhuǎn)電動吊卡參數(shù)

1.2.1 減速機參數(shù)

計算得出需要電機額定轉(zhuǎn)速為360 r·min-1，所需輸出轉(zhuǎn)速為8 r·min-1。根據(jù)額定轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)速，選定減速器的速比為50。

額定轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)速的計算公式為

式中：i為速比；Nd為輸入轉(zhuǎn)速，r·min-1；N為輸出轉(zhuǎn)速，r·min-1。

1.2.2 電機參數(shù)

新型電動吊卡的傳動方式為一級傳動，所需扭矩為3 000 N·m，速比50。根據(jù)扭矩和速比公式，計算電機的扭矩為60 N·m。

扭矩和速比的計算公式為

式中：Td為扭矩，N·m；M為初始扭矩，N·m；i為速比。

根據(jù)需求選擇直流直角中空減速電機，具體參數(shù)如表1所示。

表1 電機參數(shù)

2 電氣控制系統(tǒng)及吊卡工作原理

2.1 電動吊卡電氣控制原理

為實現(xiàn)對自動翻轉(zhuǎn)電動吊卡的精準控制，需要一個邏輯控制單元?？紤]翻轉(zhuǎn)裝置對可靠性的需求，采用可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）控制電機和電缸。PLC的核心在于微處理器，具有豐富的輸入和輸出接口，驅(qū)動力極強，是一種具備自動化控制能力的微型處理器設(shè)備，能夠?qū)崟r加載控制命令到內(nèi)存設(shè)備儲存和執(zhí)行。

PLC應(yīng)用在翻轉(zhuǎn)裝置可以很快地實現(xiàn)翻轉(zhuǎn)動作，能避免或者減少電機因沖擊電流受到的影響。當啟動自動吊卡時，PLC控制直流直角中空減速電機轉(zhuǎn)動帶動翻轉(zhuǎn)耳板旋轉(zhuǎn)。當油管進入吊卡后關(guān)閉活頁，關(guān)閉信號傳送至接線箱后，操作人員只需在司鉆控制房內(nèi)就可實現(xiàn)吊卡翻轉(zhuǎn)和吊卡開合，控制精度高，大大提高了工作安全性，降低了工人的勞動強度，實現(xiàn)了遠程控制。

2.2 自動翻轉(zhuǎn)電動吊卡工作原理

吊卡的工作主要分為抓取油管和釋放油管兩個過程。傳統(tǒng)的液壓吊卡通過控制電磁閥來驅(qū)動液壓缸，由液壓缸帶動相應(yīng)的機械結(jié)構(gòu)，管路多且結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

新型自動翻轉(zhuǎn)吊卡主體和翻轉(zhuǎn)裝置固定于吊環(huán)，通過調(diào)節(jié)螺栓，吊卡翻轉(zhuǎn)裝置被固定在吊環(huán)左側(cè)，并使得主體保持豎直。傳動方式為一級傳動，傳動效率高。

抓取油管時，PLC控制直流直角中空減速電機轉(zhuǎn)動使傳動軸正向旋轉(zhuǎn)，傳動軸另一側(cè)連接翻轉(zhuǎn)耳板，從而帶動吊卡主體翻轉(zhuǎn)。翻轉(zhuǎn)到90°時，限位塊將吊卡翻轉(zhuǎn)角度鎖定，吊卡主體電缸向后運動，電缸推動活頁打開，油管接箍進入吊卡中心，電缸再向前動作推動活頁卡住油管，完成抓取油管過程。油管釋放過程操作與上述動作相反。

3 有限元強度仿真校驗

3.1 有限元建模

采用有限元軟件進行分析，將復(fù)雜零件離散為大量的單元模擬真實工作環(huán)境，提高了計算速度和結(jié)果精度。建立吊卡結(jié)構(gòu)模型，吊卡定義后進行吊卡各結(jié)構(gòu)強度校核分析。

3.2 結(jié)果分析

3.2.1 吊卡主體強度校核

主體上吊耳與下拉桿相連，吊耳承受著吊卡及井下、井上管柱的全部重量，需要進行強度校核，以保證吊卡的安全性。每根管柱的重量約為1 000 N，設(shè)實驗用1 000根管柱，總重量為10 000 000 N，每個吊耳承受的重量為5 000 000 N。以此重量為計算單位，通過吊卡主體強度仿真（圖4）可以看出，應(yīng)力在兩吊耳處十分集中，滿足其強度和安全性能的要求。

圖4 吊卡主體強度仿真圖

3.2.2 傳動軸強度校核

傳動軸是直接連接在電機與吊卡之間的重要零件，帶動吊卡旋轉(zhuǎn)，承受的扭力大。電機輸出最大扭矩為9 000 N，固定傳動軸一端鍵槽，在另一端鍵槽處加載荷9 000 N。通過傳動軸強度仿真（圖5）可以看出，傳動軸基本沒有產(chǎn)生變形，最大處變形位移僅為0.123 1 mm，安全系數(shù)為8，達到了使用強度，滿足所需的工作要求。

圖5 傳動軸強度仿真圖

3.2.3 翻轉(zhuǎn)耳板強度校核

翻轉(zhuǎn)耳板通過電機、傳動軸的帶動，翻轉(zhuǎn)吊卡本體，實現(xiàn)接取油管的動作。吊卡本體重量約為800 N，油管重量約為1 000 N，二者總重量約為1 800 N。需要考慮翻轉(zhuǎn)耳板的安全性，如果翻轉(zhuǎn)耳板出現(xiàn)不安全狀態(tài)會導(dǎo)致耳板斷裂，甚至發(fā)生安全事故。仿真時固定鍵槽面，在耳板叉口處加1 800 N載荷。通過翻轉(zhuǎn)耳板仿真（圖6）可以看出，變形處最大位移為1.189 mm，滿足安全性能和工作要求。

圖6 翻轉(zhuǎn)耳板仿真圖

4 結(jié)語

研制的新型自動翻轉(zhuǎn)電動吊卡采用電機驅(qū)動，實現(xiàn)了全新的吊卡電動化模式。通過理論計算和有限元軟件仿真，該吊卡應(yīng)力在材料允許安全范圍內(nèi)，技術(shù)方案可行，能完成修井作業(yè)中所要求的自動化動作，同時解決了傳統(tǒng)吊卡液壓管路多、漏油、冬季氣溫低導(dǎo)致動作緩慢和滯后的難題，具有較強的實用性和廣闊的應(yīng)用前景。